obfep2021_2fase_experimental_nivelc

Prévia do material em texto

<p>OLIMPÍADA BRASILEIRA DE FÍSICA DAS ESCOLAS PÚBLICAS 2021</p><p>2</p><p>a</p><p>FASE –PROVA EXPERIMENTAL</p><p>NÍVEL C (alunos(as) da 3ª e 4ª séries – Ensino Médio e Técnico)</p><p>• Efeito Termiônico</p><p>O Efeito Termiônico pode ser descrito como a emissão de elétrons provenientes de uma determinada superfície</p><p>metálica aquecida a temperaturas elevadas (da ordem de 2.000K, 3.000K ) no interior de uma câmara de vácuo cilíndrica</p><p>com parede metálica. Em 1880, Thomas Edison observou o fenômeno quando tentava desvendar o motivo da ruptura</p><p>de filamentos da lâmpada incandescente. O efeito também foi investigado por Owen W. Richardson que, em 1928,</p><p>recebeu o Prêmio Nobel de física por descobertas na área. O Efeito Termiônico foi central para o desenvolvimento da</p><p>eletrônica, contribuindo para a criação de válvulas e, posteriormente, de diodos e transistores.</p><p>• Procedimento Experimental</p><p>Figura 1 – Arranjo Experimental</p><p>Uma corrente elétrica é aplicada a um filamento de tungstênio aquecido</p><p>entre 600K e 3000K no interior de uma câmara de vácuo cilíndrica. O</p><p>Efeito Termiônico acarretará a “soltura” dos elétrons provenientes do</p><p>filamento em função da temperatura.</p><p>Entre o filamento e a superfície interna da câmara cilíndrica é induzida</p><p>uma diferença de potencial, de tal forma que a superfície interna do</p><p>cilindro é positiva.</p><p>NOTE: existem duas correntes elétricas no experimento: a corrente no</p><p>filamento (exibida na figura acima), que é responsável por aquecer o</p><p>filamento; e a corrente entre o filamento e o cilindro (não exibida na</p><p>figura acima), que surge quando aplicamos uma diferença de potencial,</p><p>justamente em função dos elétrons emitidos pelo efeito termiônico.</p><p>1-A corrente elétrica, ao atravessar um condutor, aquece o material. Qual o nome desse efeito?</p><p>Na medida em que aumentamos a temperatura do filamento, é possível identificar variação na sua resistividade em função</p><p>do reordenamento interno da estrutura do tungstênio. Quanto maior a temperatura, mais resistivo se torna o filamento.</p><p>LEIA ATENTAMENTE AS INSTRUÇÕES A SEGUIR:</p><p>01 –Esta prova experimental destina-se exclusivamente aos(às) alunos(as) da 3ª e 4ª séries do Ensino Médio e</p><p>Técnico</p><p>02 –O Caderno de Resoluções possui instruções que devem ser lidas cuidadosamente antes do início da prova.</p><p>As resoluções devem ser transcritas no local indicado no Caderno de Resoluções. Respostas fora do local</p><p>indicado não serão consideradas.</p><p>03 – Leia com atenção todas as questões da prova antes de iniciá-la.</p><p>04 – Todos os resultados numéricos de medidas e cálculos devem ser expressos de acordo com as</p><p>instruções específicas</p><p>2- A temperatura do filamento é uma função da resistividade do filamento. Variando a corrente, variamos sua</p><p>resistividade e, consequentemente, a temperatura do filamento se altera. Abaixo está o gráfico com a relação entre as</p><p>altas temperaturas e a resistência.</p><p>• Considerando a figura acima trace, no gráfico reproduzido no Caderno de Resoluções, a reta média, ou seja, a reta</p><p>que melhor se ajusta a todos os pontos.</p><p>3- Tendo a reta média, encontre a função da temperatura, 𝑇 = 𝑓(𝑅) = 𝑎𝑅 + 𝑏.</p><p>Dica: 𝑎 é a taxa de variação da temperatura em relação à resistência.</p><p>Uma vez que o filamento chega a altas temperaturas, inicia-se a emissão de elétrons. O filamento adquire carga</p><p>positiva e, só então, o ligamos à DDP na superfície da câmara de vácuo para atrair os elétrons. Lembre-se: elétrons em</p><p>movimento são uma corrente elétrica.</p><p>4- Considere a Figura 2 reproduzida na página 4 do Caderno de Resoluções. Desenhe as linhas de campo elétrico do</p><p>filamento na superfície do cilindro, indicando tanto seu sentido quanto as polaridades do fio e da superfície da</p><p>câmara de vácuo. Dica: a corrente entre o filamento e o cilindro vai seguir essas linhas de campo.</p><p>Figura 2 – Seção transversal da câmara de vácuo. Ao centro, o filamento de tungstênio</p><p>5- Variando a diferença de potencial entre o filamento e a superfície interna do cilindro, a corrente presente entre o</p><p>filamento e a superfície do cilindro varia conforme o seguinte gráfico:</p><p>a. Perceba que há uma DDP mínima para que haja corrente elétrica entre o filamento e o cilindro. Por que</p><p>isso acontece? O que acontece em volta do filamento quando a DDP é inferior a esse mínimo?</p><p>(Dica: pense nos elétrons)</p><p>b. Depois dos 30 𝑉 de DDP a corrente não cresce como antes. Por que isso acontece?</p>